D打印技术的现状及发展.ppt

引子引子 3D打印技术慢慢已走进我们的生活，现在已是风靡全球，成为科学领域又一伟大创新。得益于3D技术制作的电影受到好评，现如今3D技术的发展涉及到了各行各业。而在制造行业，“3D打印技术”的影响正在日益凸显。英国经济学人杂志认为，这项技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命，将3D打印技术列为第三次技术革命范畴；美国时代周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。仅仅几十年后，这项技术就得到了长足的发展。那么我在这里就为大家全方位、立体式地解读一下，这项马上可以触手可及的技术。什么是什么是3D3D打印？（原理）打印？（原理）3D打印是增材技术的俗称。都是采取原料加层方法形成3D物体，每次打印一层材料只有厚，与2维打印机相比，3D打印机多了一维，将原料逐层堆积而成，如熔融塑料成型法，喷嘴喷出熔融的塑料丝，承物平台作3维运动，即可堆积出3D实物（等于一层层粘上去）。相对于传统的材料去除（如切削等）技术，增材技术是一种自下而上材料累加的制造工艺。从更广义的原理来看，以设计数据为基础，将材料（包括液体、粉材、线材或材块等）自动地累加起来成为现实体结构的制造方法，都可视为增材技术。增材技术的工作原理可分为两个过程：其一是数据处理过程，完成将三维数据分解为二维数据的过程；其二是制作过程，依据分层的二维数据，采用所选定的制作方法制作有与数据分层厚度相同的薄片，每层薄片按序叠加起来，就构成了三维实体，实现了从二维薄层到三维实体的制造过程。这一过程是将三维复杂结构降为二维结构，二维结构制作都可以实现，然后再由二维结构累加为三维结构。这一制造思想相对于传统的制造模式是一种变革，然而这一思想很早就有，只是在近三十年数字化技术的不断发展下成熟，进而物化为一个自动化装备。3D3D打印的起源打印的起源增材技术的核心思想是最早起源于美国。早在1892年，美国一项专利提出利用分层制造法构成立体地形图。据报道，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场。早在1992年，美国的3D打印机制造商就卖出了第一台商用3D打印机。优点优点1.时间及原材料成本优势时间及原材料成本优势3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。这种打印机比常规建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物。2.类型多样类型多样3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。3.连接的强功能作用连接的强功能作用在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法使得部件之间的连接并不牢固，但是使用3D打印技术，出来的产品是自然无缝连接，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。这在飞机、核电等高端装备制造行业的应用上非常广泛。在2011年8月，英国南安普敦大学的工程师设计并试飞了世界上第一架“打印”出来的飞机。这架飞机的外壳是由一款专门打印尼龙材质的3D激光打印机一层层地叠印而成的，相当轻便。鉴于其飞行时速达100公里，其质地紧密程度确实超乎人们的想象。缺点缺点1、材料的限制、材料的限制仔细观察你周围的一些物品和设备，你就会发现3D打印的第一个绊脚石，那就是所需材料的限制。虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。2、机器的限制、机器的限制众所周知，3D打印要成为主流技术(作为一种消耗大的技术)，它对机器的要求也是不低的，其复杂性也可想而知。目前的3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。3、知识产权的忧虑、知识产权的忧虑在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术毫无疑问也会涉及到这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是我们面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。4、道德的挑战、道德的挑战道德是底线。什么样的东西会违反道德规律，我们是很难界定的，如果有人打印出生物器官或者活体组织，是否有违道德?我们又改如何处理呢?如果无法尽快找到解决方法，相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。5、花费的承担、花费的承担3D打印技术需要承担的花费是高昂的，对于普通大众来说更是如此。例如上面提到第一台在京东上架的3D打印机的售价为1万5，又有多少人愿意花费这个价钱来尝试这种新技术呢?也许只有爱好者们吧。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。如何解决这个问题，制造商们估计要头疼了。每一种新技术诞生初期都会面临着这些类似的障碍，但相信找到合理的解决方案3D打印技术的发展将会更加迅速，就如同任何渲染软件一样，不断地更新才能达到最终的完善。3D打印机的现状3D打印技术应用领域正逐步拓展，市场空间广阔。过去几年里，快速制造技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位。通常应用在产品试制和试验阶段，比如功能检测和装配检测等环节应用较多。此外，在个人消费领域，3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至食品。3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似，3D打印机迅速地变得越来越便宜，功能却越来越强大。三维打印技术，现在已经处在了人人都用得起的临界点。在美国，5年前一台标准的3D打印机的价格是25000-50000美元，而近期3DSystems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品，最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元。全球全球3D3D打印的市场应用领域分类打印的市场应用领域分类1.工艺美术品工艺美术品通过3D打印技术，按你虚拟模型制作出复制品：形状、纹理、颜色，与使用者的设计完全一致。罐子采用砂石纹理，具有接近粘土质感的效果，用增材制造技术可以获得各种的陶瓷艺术品。左图为一件采用增材技术得到的树脂基的工艺品，题名为颇有诗意的“夜光小宇宙”。仔细看，它的确是一万年前宇宙开始出现时的一片混沌的样子，或者已经出现了点缀在深邃夜空中的闪烁星星。它不仅给人以思索：“与巨大永恒的宇宙相比，我们人类显得多么渺小呀！我们不应当碌碌无为、苟且地生活，而应当胸襟开阔、坦坦荡荡地生活。”请注意：这里的星星半点可不是随意而为，而是有数据支持的，也就是有科学依据的。公元6世纪的北齐石狮子具有活泼的外貌，动感十足，有流露出调皮的神色。无奈它们沐风栉雨，早已剥夺风化，残缺不堪。中国艺术家利用3D扫描技术从石狮子身上获得数字信息，利用3D处理软件，对它们进行了数字修复（这也有极大的再创造成分，因为需要补充的那些部分，必须依靠修复者的艺术修养与精细构思），得到了完整石狮子的数字模型，通过使用增材制造设备，获得石狮子的原型件，据此复原了北齐的石狮子（如右图）。在考古界，对于增材制造技术寄予厚望。例如，我国在近代考古史上，发现了不少女性未腐尸体和较为完整的颅骨，有的甚至栩栩如生，令世人惊叹世事的无常。这些女人活着时到底长什么样子呢？基于增材制造技术的现代人像复原技术让她们复活了。人们发现，她们之中有的甚至具有现代影视女星的气质。2.2.建筑模型建筑模型瑞典创新工作室使用美国公司的3D打印技术，创建了这个令人震惊的具有高度细节的3D建筑模型，这将帮助球场增加到30,000个座位，该体育馆将于2013年完工。在3D数字场馆模型中，虚拟实现的每一个细节，将会在实物模型中完美表现，非常了不起的是拥有7400个高细节度的座位，每个有4毫米宽。总结：使用增材技术可以重塑建筑业。使用增材技术可以重塑建筑业。这个巨大的3D房子打印机将从房子地基开始，地板、墙、天花板、管道甚至更高级的东西，比如电线，刚开始以为，它只能打印块状建筑物，但显然这个3D打印机会执行更多的功能，你只要把门和窗户的CAD图样画清楚，保证打印完后有洞可以供你进去，其他的则留给巨大的3D打印机就行！3D打印机的可贵之处在于它可以听从电脑程序打印完一层自动爬上另一层，非常有次序，甚至比人工的更加准确，一砖一瓦都不会遗漏，所以这保证了它的稳定性；而且会依据强大的几何计算、采用坚固的材料，来保证几年到更多的时间内，房子不会有质量问题。3.3.首饰业首饰业右图为采用增材技术获得的3D打印钛金属或其他贵金属昆虫工艺品，可以用作精美的佩饰。采用3D打印技术，首先需要以活泼可爱、千姿百态的昆虫为依据，构思并设计出各种动感十足的模型，它们必须包含某种夸张的成分在内。然后获得其数字模型，选择所需的金属材质，驱动3D打印机，得到蝴蝶、蜂鸟、甲壳虫、螳螂等佩饰或首饰。如果在精度上能够满足顾客的要求，就无需后处理而直接快速安装在顾客的胸针或项链上，或者安装在戒指环上。4.4.服装业服装业这件美丽和创新的连衣裙，由、两位设计师利用3D打印技术制作的独特礼服，上面镶嵌着超过12000颗施华洛世奇水晶。这款名叫Strvct的高跟鞋由美国时尚工作室ContinuumFashion设计，是一款网格状充满未来感的鞋子(像不像鸟巢)。整个鞋面和鞋跟都用尼龙材料打印生成，内衬一个鞋垫就OK了。5.5.自行车造型个性化设计自行车造型个性化设计 与快速设计与快速设计借助突破性的新技术，科学家“打印”出一辆可以供真人骑乘的自行车。这种自行车名为“Airbike”，采用尼龙材料制作，其坚固程度堪比钢铝材料，但重量却比之轻65%。这种方式使用的原材料只有传统制造方式的1/10，大大减少浪费。Airbike可按照消费者的要求打印，无需调整，此外这款自行车也无需进行维修或者装配。6.6.概念车的制作概念车的制作概念车是什么？概念车是什么？概念车并不是已投产或将投产的车型，它仅仅是向人们展示设计人员新颖、独特、超前的构思而已，每一辆概念车都可以更多地摆脱生产制造水平方面的束缚，尽情的甚至夸张的展示自己的独特魅力。见上图，来自德国设计师欧米茄的阿尔法获得第一名。这款概念车非常酷，设定的技术背景也相当科幻，甚至有些梦幻。欧米茄假定2040年人类已经掌握了冷聚变技术，人们只需小小的一些原子就能获得巨大能量，换言之就是人类掌握了无穷无尽的能源这车设计了3个磁质等离子流推进器，显然地球已经容纳不了这辆车了，绝对天顶星技术。虽然长的有些像电吹风，但这车真的挺酷。3D3D打印真枪实弹打印真枪实弹 杀手可能就在你身边杀手可能就在你身边美国分布式防御公司的创始人科迪威尔森经过一年多时间的研发，利用一台价值8000美元的3D打印机成功制造一支塑料手枪。英国两名卧底记者将一支他们根据设计图自行制作的3D塑料手枪藏在衣服中，竟顺利通过了伦敦圣潘克拉斯国际火车站的安检，将其带上了开往法国巴黎的“欧洲之星”列车！曝光后，立即引发一片哗然。如果3D枪支制造变得更加普及，那么多年以来加强枪支管控的努力将会落空。禁止法案或许一定程度上可以阻止人们制造武器，但是数字打印文件的网络共享将很难控制。3D3D打印的未来打印的未来到今天，3D打印机已经能够打印出很多东西，对医疗、文化、建筑、食品、汽车等行业也产生了非常大的影响，它的应用范围之广可能是我们无法想象的。理论上来说，只要是能够在计算机上绘制成型的产品都可以通过3D打印机将之付诸现实。下面我们就通过3D打印在各行业带给我们那些美妙绝伦的产品，来畅想一下3D打印所创造的未来吧。对于那些需要器官移植的患者来说，3D打印技术无疑是他们的福音。一方面我们无需担心不同机体器官之间的排异反应，另一方面相较于人体器官，3D打印成本非常之低，例如打印一个人体心脏瓣膜，只需要价值10美元的高分子材料即可。英国赫瑞瓦特大学成功研制了一种基于胚胎干细胞能够定制化打印制造人体器官组织的新技术。如果这项技术可以普及开来的话，许多重症患者就能够很容易的获得可供移植的肝脏、心脏、人体组织等其他人造器官。之前科学家已经用相同的方法制造除了骨骼和皮肤，不过目前他们希望能够培育更复杂的胚胎细胞架构，从而打造出精密的“人体器官”。科学家研究发现，通过改变3D打印机喷嘴直径可精确控制细胞分发的速度，新打印形成的胚胎细胞具有能够转变成为任何类型细胞的能力。如果这项技术最终成行的话，不仅解决了器官捐量上的难题，同时可以避免器官移植排斥性等难题带来质上的提高。或许未来有一天，我们可以说，“想换颗年轻的心脏吗？我们打印一颗！”一、医疗行业一、医疗行业二、文物保护二、文物保护 3D打印出的复制品可以作为博物馆里文物的替代品予以展出，避免真品遭受到意外的伤害。来自南卡罗来纳州的非裔美国人通过3D打印技术创作了一件19世纪的人面壶。这是一种描绘人脸的陶壶，原始制作材料为高岭土，由19世纪下半叶尚处在奴役阶段的非裔美国人创造。制作过程也与常见的3D打印无异，通过3D扫描仪扫描人面壶之后形成3D模型，然后在计算机中进行检验和调整。模型构建好之后就可以交给3D打印机进行打印了，打印陶器使用的是激光粉末烧结技术。打印完之后的人面壶表面细节上完全吻合，除了没有采用相同的釉彩，取而代之的是电镀一层带有银色光泽的镍，颇具现代元素。三、建筑行业三、建筑行业在建筑行业中，已经有不少设计师、工程师涉及3D打印行业，通过3D打印机打印的建筑模型更为快速，成本也更为低廉，而且更接近于设计师的原始构思，提供了工作效率，节省了大量的建筑原材料。3D打印月球建筑打印月球建筑在月球上建造一座“月球基地”，在很多科幻小说以及电影中都成出现过。随着科技的发展，构建类似于太空站的月球基地在技术上已经比较成熟，不过由于地球与月球之间的距离过于遥远，运输建筑材料的成本过高，导致这一想法一直未能实现。不过有了3D打印技术之后，这一难题可能就迎刃而解了。该建筑利用一种类似于“悬链线”形拱顶以及蜂窝结构的墙体，使建筑内部能免受月球上的小型流星体和太空辐射的损伤。除此之外，基地还设计了一种增压充气配件来保护建筑物内的宇航员，整个生活区就像一个牢固的保护壳。四四.集成电路集成电路信息化时代离不开集成电路，未来的大数据时代更离不开集成电路，而增材技术的实现同样离不开集成电路。超大规模的三维集成电路的发展决定了信息化时代的步伐。未来的增材制造术，将可在增材过程中灵活实现多种材料在宏观、微观、纳观甚至原子尺度上的任意复合和内部结构任意控制，这似的超大规模三维集成电路的增材制造将成为可能。美国某个公司采用增材制造技术制造的三维集成电路和集成控制电路的无人机机翼，其中空间互联电路采用金属银、金等的纳米粉打印。总结总结3D打印技术改变了传统的去除材料加工的模式，通过逐层堆积材料直接制造产品，从而带来了制造工艺和生产模式的变革。增材技术作为一项新技术，尤其是不同于传统生产模式的新技术理所当然地引起了业界高度重视，特别是将其与第三次工业革命联系起来更成为近一个时期社会广泛关注的热点。如何看待增材技术？哥本哈根未来研究院名誉主任约翰彼得帕鲁坦的一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们长期发展的潜力。增材制造作为一项前瞻性、战略性技术，其工程应用性很强，领域跨度很大，对未来制造业，尤其是高端制造的发展十分重要。我们应该充分予以重视，既要解放思想，科学前瞻，又要实事求是，脚踏实地。要在加强增材制造技术、工艺、装备及相关材料的研究开发基础上，一步一个脚印地推动其广泛应用与产业化。我们要走的路很长，必须从现我们要走的路很长，必须从现在开始动！在开始动！